En forskargrupp från NIMS identifierade framgångsrikt de atomer och vanliga defekter som finns på den mest stabila ytan av anatasformen av titandioxid genom att karakterisera detta material i atomär skala med skanningssondmikroskopi. Detta arbete publicerades under öppen åtkomstpolicy i onlineversionen av Naturkommunikation den 29 juni, 2015.

Forskargruppen bestående av Oscar Custance och Tomoko Shimizu, gruppledare och senior forskare, respektive, på Atomic Force Probe Group, NIMS, Daisuke Fujita och Keisuke Sagisaka, gruppledare och senior forskare, respektive, på Surface Characterization Group, NIMS, och forskare vid Charles University i Tjeckien, Madrids autonoma universitet i Spanien, och andra organisationer kombinerade simultan atomkraftmikroskopi (AFM) och scanning tunneling microscopy (STM) mätningar med första principberäkningar för entydig identifiering av atomarten vid den mest stabila ytan av anatasformen av titandioxid (nedan kallad anatas) ) och dess vanligaste defekter.

På senare år har anatas har väckt stor uppmärksamhet, eftersom det har blivit ett centralt material i apparater för fotokatalys och för omvandling av solenergi till elektricitet. Det är extremt utmanande att odla stora enkristaller av anatas, och de flesta av applikationerna av detta material är i form av nanokristaller. För att förbättra den katalytiska reaktiviteten hos anatas och effektiviteten hos enheter för solenergiomvandling baserade på anatas, det är avgörande att få en djupgående förståelse och kontroll över de reaktioner som sker på ytan av detta material ner till atomnivå. Endast ett fåtal forskargrupper över hela världen har teknologin för att skapa korrekta testprover och göra observationer på atomnivå på anatasitor på plats.

I den här studien, forskargruppen använde prover erhållna från naturliga enkristaller av anatas extraherade från naturligt förekommande anatasbergarter. Teamet karakteriserade ytan av anatas på atomnivå med hjälp av samtidig AFM och STM. Använda enstaka vattenmolekyler som atommarkörer, teamet identifierade framgångsrikt atomarten på denna yta; resultat som dessutom bekräftades av jämförelsen av samtidiga AFM- och STM-mätningar med resultaten av första principberäkningar.

I vanlig STM, där en atomärt vass sond skannas över ytan genom att hålla en elektrisk ström konstant mellan dem, det är svårt att stabilt avbilda anatasitor eftersom detta material uppvisar dålig elektrisk ledningsförmåga över några av atompositionerna på ytan. Dock, Samtidig drift av AFM och STM möjliggjorde avbildning av ytan med atomupplösning även inom materialbandgapet (ett område där strömflödet mellan sonden och ytan är, i princip, förbjuden). Här, upptäckten av interatomära krafter mellan den sista atomen i den atomärt skarpa sonden och atomerna på ytan av AFM var av avgörande betydelse. Genom att reglera sond-ytans avstånd med AFM, det var möjligt att avbilda ytan i atomskala samtidigt som man samlade in STM-data över både ledande och inte ledande områden på ytan. Genom att jämföra samtidiga AFM- och STM-mätningar med teoretiska simuleringar, Teamet kunde inte bara urskilja vilka atomarter som bidrog till AFM- och STM-bilderna utan också att identifiera de vanligaste defekterna som hittats vid ytan.

I framtiden, baserat på informationen från denna studie, NIMS forskarteam kommer att bedriva forskning om molekyler av teknisk relevans som adsorberar på anatas och karakteriserar dessa hybridsystem genom att använda samtidig AFM och STM. Deras slutmål är att formulera nya tillvägagångssätt för utvecklingen av fotokatalysatorer och solcellsmaterial och enheter.

Denna studie publicerades under open access policy i onlineversionen av Naturkommunikation den 29 juni, 2015.